水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯松動斷裂原因分析與處理

四川華電瀘定水電有限公司 呂春紅

1 引言

某水電站位于四川省瀘定縣境內(nèi)的大渡河干流上，安裝4 臺單機(jī)容量230MW 混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為920MW，電站主要任務(wù)為發(fā)電。發(fā)電機(jī)型號為SF230-60/14600，設(shè)備供應(yīng)商為哈爾濱電機(jī)廠，水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

定子鐵芯由定子扇形片、通風(fēng)槽片、定位筋、齒壓板、拉緊螺桿及固定部件等組成。定子鐵芯通過拉緊螺桿壓緊，沖片軛部鴿尾槽與定位筋相連，定位筋通過托塊與定子機(jī)座連接為一個整體。定子鐵芯端部采用3 段階梯結(jié)構(gòu)，階梯沖片采用黏接技術(shù)，保證鐵芯端部整體性。

2 異?，F(xiàn)象

2021年12月，該水電站2 號機(jī)組大修過程中，檢修人員清洗2臺發(fā)電機(jī)定子時，發(fā)現(xiàn)定子第325槽旁擋風(fēng)板外部有金屬片穿透現(xiàn)象，擋風(fēng)板上的金屬片如圖1所示。線棒絕緣受損如圖2所示。

圖1 擋風(fēng)板上的金屬片

圖2 線棒絕緣受損

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)第325 槽所在位置齒部對應(yīng)擋風(fēng)板內(nèi)有金屬片散落，取下此處擋風(fēng)板，發(fā)現(xiàn)該槽右側(cè)鐵芯靠近線棒側(cè)階梯齒只剩余4片，呈松動狀態(tài)，且下齒壓板壓指偏離階梯齒中心，線棒右側(cè)表面絕緣損壞較嚴(yán)重。針對以上情況檢修人員進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機(jī)定子存在以下問題。

一是將2號發(fā)電機(jī)定子第325槽上層線棒取出后發(fā)現(xiàn)，取出線棒位于定子下端部左側(cè)階梯齒異常處絕緣有磨損現(xiàn)象，該磨損部位在線棒下端左側(cè)靠近鐵芯內(nèi)圓處。磨損深度約2mm，長度約40mm。線棒受損部位如圖3所示。

圖3 線棒受損部位

二是第325 槽上層線棒取出后，檢查該槽下部左側(cè)鐵芯階梯齒剩余的4 片階梯齒沖片，用手觸摸后，有1 片掉落，斷裂部位在下層線棒斷面處，階梯齒沖片斷裂部位如圖4所示。未發(fā)現(xiàn)該處下層線棒表面絕緣有異常現(xiàn)象。從階梯齒下部向上觀察，階梯齒齒部斷裂處至軛部下表面無異常。

圖4 階梯齒沖片斷裂部位

三是2 號發(fā)電機(jī)定子鐵芯拉緊螺桿蝶簧及心螺桿部分均有不同程度的松動現(xiàn)象，未達(dá)設(shè)計(jì)把緊力矩。

四是取下定子下端全部擋風(fēng)板，查閱該水電站《水輪發(fā)電機(jī)安裝說明書》中要求壓指中心與鐵芯齒部中心線偏差不大于2mm，發(fā)現(xiàn)共有22 槽下端壓指不同程度偏離齒中心大于2mm的現(xiàn)象。定子鐵芯壓指偏移齒中心如圖5所示，共有34 槽下端部沖片表面變色、片間有不同程度松動、電腐蝕現(xiàn)象。

圖5 定子鐵芯壓指偏移齒中心

3 原因分析

3.1 直接原因

從現(xiàn)場檢查情況發(fā)現(xiàn)沖片發(fā)生斷裂的部位，定子壓指嚴(yán)重偏離沖片齒槽中心處，造成一側(cè)階梯片底部缺少有效支撐。機(jī)組運(yùn)行時，定子鐵芯本身存在一定的震動，但因?yàn)? 號發(fā)電機(jī)定子鐵芯整體松動，使震動幅值增加，進(jìn)而引起沖片齒部劇烈震動，發(fā)生疲勞斷裂并逐步脫落，相鄰部位的上層線棒側(cè)面被脫落的沖片劃傷。

3.2 間接原因

3.2.1 定子鐵芯拉緊螺桿、穿芯螺桿松動

一是發(fā)電機(jī)定子安裝時沖片疊壓系數(shù)偏低，機(jī)組長期運(yùn)行后，因震動導(dǎo)致沖片間的間隙消除及片間漆膜收縮，使螺桿拉緊力降低。

二是安裝時未按正確的預(yù)緊力矩進(jìn)行鐵芯預(yù)緊。

三是機(jī)組檢修時，未再次對螺桿進(jìn)行檢查并緊固。

3.2.2 定子下端部壓指偏離齒中心

一是機(jī)組運(yùn)行時，定子鐵芯在熱的作用下會產(chǎn)生徑向變形，同時鐵芯受電磁扭矩影響，產(chǎn)生微量切向位移變形，但上述變形不會造成壓指較大偏移。

二是定子安裝時只考慮了其相互間的絕對弦長，沒有考慮相對位置精度，造成部分壓指偏心。

3.2.3 定子下端部分階梯片松動

一是拉緊螺桿松動，定子鐵芯整體預(yù)緊力不足。

二是壓指偏心未起到對鐵芯的有效支撐作用，使鐵芯無法有效壓緊。

三是壓指安裝時沒有保證內(nèi)側(cè)較外側(cè)略高的要求，使得齒部沒有壓緊。

4 處理及防范措施

4.1 定子鐵芯拉緊螺桿、穿心螺桿松動處理

按照設(shè)計(jì)力矩值對稱對定子鐵芯拉緊螺桿、穿芯螺桿進(jìn)行緊固。

4.2 定子鐵芯下端部分沖片松動處理

一是使用高壓帶電清洗劑徹底清洗定子下端階梯片表面的油污。二是用緊量刀片檢查階梯片的松動程度，并做標(biāo)記。三是沖片間隙出現(xiàn)小于0.5mm、無法塞入絕緣片的情況時，可在階梯片表面涂刷絕緣膠進(jìn)行黏接。四是沖片間隙在0.5mm 左右時，將0.5mm 厚的絕緣板裁剪成與齒部一致的形狀，上下兩面打毛，刷膠后塞入沖片間。五是沖片間隙在0.5mm 以上時，可以根據(jù)實(shí)際情況，修磨1mm 厚的絕緣板至合適厚度，裁剪成與齒部一致的形狀，上下兩面打毛，刷膠后塞入沖片間。

4.3 定子鐵芯下端部沖片斷裂處處理

一是將定子鐵芯斷齒部位殘留的沖片徹底清除，清除時注意不要傷及下層線棒及齒部另一半沖片，同時檢查鐵心軛部松動情況。二是使用高壓帶電清洗劑徹底清洗定子損傷部位。三是使用電腐蝕方式清理斷齒處的毛刺，避免齒片粘連。四是處理完成部位涂刷絕緣膠，為加速固化，根據(jù)現(xiàn)場溫度情況可適當(dāng)加熱。五是分兩次對鐵心進(jìn)行整體打緊。打緊方式及檢查標(biāo)準(zhǔn)按發(fā)電機(jī)廠家圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)行。六是為方便監(jiān)測因鐵心受損部位周圍溫度變化情況，在進(jìn)行孔洞封堵時，在沖片斷裂處埋設(shè)了溫度計(jì)（RTD）。

4.4 定子鐵芯下端部分壓指偏離齒中心處理

一是將偏心大于5mm的部分加裝輔助支撐。選用10～12mm 厚的不銹鋼板制作成和壓指形狀相似的模塊，周圍打磨光滑，與壓指齊平進(jìn)行焊接，現(xiàn)場根據(jù)壓指偏向開坡口，焊接坡口靠著壓指側(cè)。焊接焊縫需要挫磨光滑，不能有尖角，焊接時需要保護(hù)好線圈。加裝輔助支撐的地方進(jìn)行標(biāo)記，將擋風(fēng)板的齒部剪去，方便使用內(nèi)窺鏡觀察。

二是對階梯齒中間立縫進(jìn)行環(huán)氧絕緣雙面板刷膠塞緊。

三是進(jìn)行EL-CID 鐵損試驗(yàn)，對發(fā)電機(jī)定子鐵芯片間絕緣進(jìn)行檢測，并與處理前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，2號發(fā)電機(jī)定子鐵芯下端部沖片松動斷裂處理前后EL-CID鐵損試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 2 號發(fā)電機(jī)斷裂處理前后EL-CID 鐵損試驗(yàn)數(shù)據(jù)(單位：mA)

由表2可知，處理前大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)，處理后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯變好，說明該處理方法具有明顯效果，能夠很好地重新建立起片間絕緣。數(shù)據(jù)合格后進(jìn)行上層線棒更換工作。并對2 號發(fā)電機(jī)定子繞組重新進(jìn)行了整體耐壓試驗(yàn)。線棒更換和端部槽楔綁扎工藝按制造廠提供成熟工藝完成。

5 結(jié)語

2 號機(jī)組經(jīng)過2022年1～8月的運(yùn)行檢驗(yàn)后，運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)良好，運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)良、穩(wěn)定可靠。驗(yàn)證了本文研究的大型水輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯沖片松動、斷裂的處理方法具有良好的效果，能夠保障水力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。